Кристаллическая структура минералов

Кислород является наиболее распространенным в земной коре элементом. Поэтому неудивительно, что практически все наиболее обычные минералы представляют собой кислородные соединения. Тот факт, что ион кислорода имеет большие размеры (радиус О^2– колеблется от 1,35 до 1,42 Å), весьма важен в минералогии. Кислород преобладает по объему не только в земной коре (содержащей около 47 вес. % кислорода или 60 % по объему), но и в минералах резко преобладает по занимаемому объему над всеми другими химическими элементами. Поэтому структура кислородных соединений, как правило, определяется пространственным распределением ионов кислорода в то время ионы других элементов, главным образом мелкие катионы, располагаются между ионами кислорода.

Структура какого-либо ионного соединения определяется как размерами составляющих его ионов, так и их зарядами, которые в свою очередь зависят от валентности соответствующих элементов. Т. е. необходима геометрическая и электрическая стабильность соединения.

Под геометрической стабильностью понимается соответствие между размерами ионов и способом их упаковки, при котором ионы в структуре сохранили бы более или менее свою сферическую форму.

Электрическая стабильность (электронейтральность) подразумевает, что сумма положительных и отрицательных зарядов ионов должна быть сбалансирована как в целом для минерального зерна, так и в окрестности каждого отдельного иона.

Геометрическая стабильность тесно связана с понятием координационного числа элемента. В ионных структурах каждый катион стремится окружить себя анионами. Число группирующихся вокруг катиона анионов зависит от их относительных размеров. Для каждой пары катион – анион относительные размеры наиболее удобно выражать в виде отношения радиуса катиона к радиусу аниона R_К / R_А, где К – меньший по размеру анион, а А – больший анион. Число анионов, окружающих данный катион, называется координационным числом этого катиона. Наиболее идеален случай, когда все соседние анионы касаются друг друга и катиона, который они окружают.

Как уже говорилось, самым обычным анионом является кислород, поэтому, если термин координационное число не сопровождается какими-либо пояснениями, обычно имеется в виду координация по отношению к кислороду. Координационные полиэдры обычно характеризуют как тетраэдры, октаэдры и т. п. Реально существующие в структурах полиэдры, как правило, несколько искажены по сравнению с правильными геометрическими фигурами.

Некоторые катионы присутствуют почти исключительно в одной определенной координации. В случае других элементов, например, алюминия, может осуществляться четверная или шестерная координация. Во многих случаях тип координации зависит от температуры и давления, при которых происходит кристаллизация минералов с данным катионом. Обычно при высоких температурах и низких давлениях предпочтительным является меньшее координационное число, а при низких температурах и высоких давлениях – большее координационное число. Хорошим примером служит алюминий, который в высокотемпературных минералах стремится к четверной координации и при этом может замещать кремний, а в минералах, образовавшихся при низких температурах, чаще имеет шестерную координацию.

Электронейтральность. В устойчивых ионных кристаллических структурах суммарная сила электростатических связей, связывающих один анион с ближайшими катионами, равна заряду этого аниона. Это правило требует, чтобы заряд аниона в ионной структуре нейтрализовался зарядами катионов ближайшего окружения этого аниона. Наиболее простым примером может служить галит NaCl, в котором каждый Cl^– окружен шестью Na⁺, а каждый Na⁺ – шестью Cl^–. В такой структуре электронейтральность достигается передачей одной шестой отрицательного заряда каждого аниона каждому из окружающих его катионов, а любой катион отдает одну шестую часть своего заряда каждому из окружающих его анионов. Это изодесмические структуры – структуры, в которых все связи имеют одинаковую силу.

Наличие в ионной структуре общих ребер или общих граней координационных полиэдров, понижает стабильность такой структуры, поэтому в устойчивых кристаллических структурах координационные полиэдры стремятся иметь минимальное число общих ребер с соседними полиэдрами.

В природных условиях встречаются лишь наиболее стабильные соединения, а менее устойчивые либо вообще не образуются, либо быстро разрушаются с образованием более стабильных в данных условиях вторичных минералов.